Strukturen och egenskaperna hos jordens magnetfält
Jordens magnetfält, eller jordmagnetiska fält, är magnetiskt
Jordens eget magnetfält (geomagnetiskt fält) kan delas in i följande huvuddelar:
- huvudfält,
- världsavvikelser,
- yttre magnetfält.
- Huvudfält
Mer än 90% av det består av ett fält som har sitt ursprung inuti jorden, i den flytande yttre kärnan, som kallas huvud-, huvud- eller normalfältet.
Det är ungefärligt som en serie övertoner -av Gauss-serien, och i den första approximationen nära jordytan (upp till tre av dess radier) är den nära det magnetiska dipolfältet, det vill säga det ser ut som om världen är en remsmagnet med en axel riktad ungefär från norr till söder.
- Fält av världsavvikelser
Jordens verkliga magnetfältslinjer,även om de i genomsnitt är nära dipolfältslinjerna, skiljer de sig från dem i lokala oregelbundenheter som är förknippade med närvaron av magnetiserade stenar i jordskorpan som ligger nära ytan.
På grund av detta, på vissa platser på jordenPå ytan skiljer sig fältparametrarna kraftigt från värdena i närliggande områden och bildar så kallade magnetiska anomalier. De kan överlappa varandra om de magnetiserade kropparna som orsakar dem ligger på olika djup.
- Externt magnetfält
Det bestäms av källor i form av strömsystem placerade bortom jordens yta, i dess atmosfär. I den övre delen av atmosfären (100 km och uppåt) - jonosfären - joniseras dess molekyler och bildar en tät kall plasma som stiger högre, därför den del av jordens magnetosfär ovanför jonosfären, som sträcker sig till ett avstånd på upp till tre av dess radier, kallasplasmasfären.
Plasma hålls av jordens magnetfält, men dess tillstånd bestäms av dess interaktion med solvinden - plasmaflödet av solkoronaen.
Alltså på ett större avstånd från ytanJordens magnetfält är asymmetriskt, eftersom det förvrängs under inverkan av solvinden: från solens sida komprimeras det och i riktning från solen får det ett "spår" som sträcker sig över hundratusentals kilometer , går bortom månens omloppsbana.
Denna märkliga "svansformade" form uppstår när plasma från solvinden och solkroppsflöden flyter runt jordens yta.magnetosfär- en region i rymden nära jorden, fortfarande kontrollerad av jordens magnetfält, och inte solen och andra interplanetära källor.
Hon är skild från det interplanetära rummetmagnetopaus, där solvindens dynamiska tryck balanseras av trycket från sitt eget magnetfält.
- Fältparametrar
Visuell representation av linjernas positionDen magnetiska induktionen av jordens fält tillhandahålls av en magnetisk nål, fixerad på ett sådant sätt att den fritt kan rotera både runt den vertikala och runt den horisontella axeln (till exempel i en kardan) - vid varje punkt nära jordytan är det installeras på ett visst sätt längs dessa linjer.
Eftersom de magnetiska och geografiska polerna inte sammanfaller, anger magnetnålen riktningen från norr till söder endast ungefärligt.
Det vertikala planet i vilket den magnetiska nålen är installerad kallas planet för den magnetiska meridianen för en given plats, och linjen längs vilken detta plan skär jordens yta kallasmagnetisk meridian.
Således är magnetiska meridianer projektionerkraftlinjer för jordens magnetfält på dess yta, konvergerande vid nord- och sydmagnetpolerna. Vinkeln mellan riktningarna för de magnetiska och geografiska meridianerna kallasmagnetisk deklination.
Det kan vara västerländskt (ofta betecknattecken "-") eller öst (tecken "+"), beroende på om magnetpinnens nordpol avviker från det geografiska meridianens vertikala plan i väster eller öster.
Vidare, linjerna i jordens magnetfält, generellt sett,inte är parallella med dess yta. Detta innebär att den magnetiska induktionen av jordens fält inte ligger i horisontplanet för en given plats, utan bildar en viss vinkel med detta plan - det kallasmagnetisk lutning. Det är nära noll bara på punktermagnetisk ekvatorn- en storcirkel i ett plan som är vinkelrät mot den magnetiska axeln.
Resultat av numerisk modellering av jordens magnetfält: till vänster - normal, till höger - under inversion
Jordens magnetfälts natur
Förklara förekomsten av magnetfält för första gångenJorden och solen försöktes av J. Larmore 1919, och föreslog konceptet med en dynamo, enligt vilket upprätthållandet av magnetfältet i en himlakropp sker under inverkan av den hydrodynamiska rörelsen hos ett elektriskt ledande medium.
Men 1934 bevisade T. Cowling ett teorem om omöjligheten att upprätthålla ett axisymmetriskt magnetfält genom en hydrodynamisk dynamomekanism.
Och eftersom de flesta av himlakropparna studerade (ochspeciellt jorden) ansågs axiellt symmetriska, på basis av detta var det möjligt att göra antagandet att deras fält också skulle vara axiellt symmetriskt, och då skulle dess generering enligt denna princip vara omöjlig enligt dessa satser.
Till och med Albert Einstein var skeptisk tillgenomförbarheten av en sådan dynamo förutsatt att enkla (symmetriska) lösningar inte kan existera. Först mycket senare visades att inte alla ekvationer med axiell symmetri som beskriver processen för magnetfältgenerering kommer att ha en axiellt symmetrisk lösning, även på 1950-talet. asymmetriska lösningar har hittats.
Sedan dess har dynamoteorin utvecklats framgångsrikt, ochIdag är den allmänt accepterade mest troliga förklaringen till ursprunget till jordens och andra planeters magnetfält en självexciterande dynamomekanism baserad på genereringen av en elektrisk ström i en ledare när den rör sig i ett magnetfält som genereras och förstärks av dessa strömmar själva.
De nödvändiga förutsättningarna skapas i jordens kärna:i den flytande yttre kärnan, huvudsakligen bestående av järn vid en temperatur av storleksordningen 4–6 tusen kelvin, som perfekt leder ström, skapas konvektiva flöden som tar bort värme från den fasta inre kärnan (genereras på grund av sönderfallet av radioaktiva element eller frigörandet av latent värme när ämnet stelnar vid gränsen mellan inre och yttre kärna när planeten gradvis svalnar).
Corioliskrafter snurrar dessa flöden in ikaraktäristiska spiraler som bildar de så kallade Taylor-pelarna. På grund av skiktens friktion får de en elektrisk laddning och bildar slingströmmar. Således skapas ett system av strömmar som cirkulerar längs den ledande kretsen i ledare som rör sig i det (inledningsvis närvarande, om än mycket svaga) magnetfältet, som i en Faraday-skiva.
Det skapar ett magnetfält som, närgynnsam flödesgeometri förbättrar det initiala fältet, och detta förbättrar i sin tur strömmen, och förstärkningsprocessen fortsätter tills förlusterna på grund av Joule-värme, som växer med ökande ström, balanserar inflödet av energi som kommer på grund av hydrodynamiska rörelser.
Det har föreslagits att dynamo kanskevar upphetsad på grund av precession eller tidvattenkrafter, det vill säga att energikällan är jordens rotation, men den mest utbredda och utvecklade hypotesen är att detta är exakt termokemisk konvektion.
Förändringar i jordens magnetfält
Magnetisk fältinversion är en förändring i riktningen för jordens magnetfält i planetens geologiska historia (bestäms av den paleomagnetiska metoden).
Under vändning, den nordliga magnetiska polen och söderDe magnetiska polerna byter plats och kompassnålen börjar peka i motsatt riktning. Inversion är ett relativt sällsynt fenomen som aldrig har inträffat under existensen avHomo sapiens... Förmodligen var den senaste gången det hände för cirka 780 tusen år sedan.
Magnetiska fältomkastningar inträffade med tidsintervall från tiotusentals år till enorma perioder av tyst magnetfält på tiotals miljoner år när inga omkastningar inträffade.
Således, nejperiodicitet vid byte av poler, och denna process anses vara stokastisk. Långa perioder med tyst magnetfält kan följas av perioder med flera reverseringar med olika varaktighet och vice versa. Studier visar att en förändring i magnetiska poler kan pågå från flera hundra till flera hundra tusen år.
Specialister från Johns Hopkins University (USA)Det antas att under reverseringarna försvagades jordens magnetosfär så mycket att kosmisk strålning kunde nå jordens yta, så detta fenomen kan skada levande organismer på planeten, och nästa förändring av polerna kan leda till ännu allvarligare konsekvenser för mänskligheten uppåt till en global katastrof.
Vetenskapligt arbete de senaste åren har visat (inklusiveinklusive i experimentet) möjligheten till slumpmässiga förändringar i magnetfältets riktning ("hopp") i en stationär turbulent dynamo. Enligt chefen för laboratoriet för geomagnetism vid Institutet för fysik på jorden, Vladimir Pavlov, är inversion en ganska lång process enligt mänskliga mått.
Geofysiker vid University of Leeds Yon Mound och Phil Livermore tror att om ett par tusen år kommer det att bli en inversion av jordens magnetfält.
Förskjutning av jordens magnetiska poler
För första gången, koordinaterna för den magnetiska polen i norrhemisfärer definierades 1831, igen 1904, sedan 1948 och 1962, 1973, 1984, 1994; på södra halvklotet - 1841, igen - 1908. Förskjutningen av magnetiska poler har registrerats sedan 1885. Under de senaste 100 åren har den magnetiska polen på södra halvklotet rört sig nästan 900 km och kommit in i södra oceanen.
De senaste uppgifterna om tillståndet i Arktismagnetisk pol (som rör sig mot den östsibiriska världens magnetiska anomali genom Ishavet) visade att från 1973 till 1984 var dess färd 120 km, från 1984 till 1994 - mer än 150 km. Även om dessa data är uppskattningar, bekräftas de av mätningar av den nordmagnetiska polen.
Efter 1831, när stolpens position registrerades för första gången, hade stolpen redan 2019 förskjutits mer än 2 300 km mot Sibirien och fortsätter att röra sig med acceleration.
Rörelsens hastighet ökade från 15 km tillår 2000 till 55 km / år 2019. Denna snabba drift kräver mer frekventa justeringar av navigationssystem som använder jordens magnetfält, såsom kompasser i smartphones eller reservnavigeringssystem för fartyg och flygplan.
Jordens magnetfälts styrka sjunkeroch ojämnt. Under de senaste 22 åren har den minskat med i genomsnitt 1,7% och i vissa regioner, såsom Sydatlanten, med 10%. På vissa ställen ökade magnetfältets styrka till skillnad från den allmänna trenden.
Acceleration av stolparnas rörelse (i genomsnitt 3km / år) och deras rörelse längs korridorerna för magnetiska polers inversion (dessa korridorer gjorde det möjligt att avslöja mer än 400 paleoinversioner) föreslår att man vid denna förskjutning av polerna inte bör se en utflykt utan en annan inversion av jordens magnetfält .
Hur uppstod jordens magnetfält?
Specialister från Scripps Oceanographic Instituteoch University of California har föreslagit att planetens magnetfält bildades av manteln. Amerikanska forskare har utvecklat en hypotes som föreslagits för 13 år sedan av en grupp forskare från Frankrike.
Det är känt med tidenproffs hävdade att det var jordens yttre kärna som genererade dess magnetfält. Men sedan föreslog experter från Frankrike att planetens mantel alltid var solid (från dess födelse).
Denna slutsats fick forskare att tänka pådet faktum att det inte var kärnan som kunde bilda magnetfältet, utan den flytande delen av den nedre manteln. Mantelns sammansättning är ett silikatmaterial som anses vara en dålig ledare.
Men eftersom den nedre manteln fick vara kvarvätska i miljarder år, rörelsen av vätskan inuti den producerade ingen elektrisk ström, utan det var helt enkelt nödvändigt att generera ett magnetfält.
Idag tror yrkesverksamma att manteln kundevara en kraftfullare ledare än tidigare trott. Denna slutsats från specialister motiverar fullständigt tillståndet på den tidiga jorden. En silikatdynamo är endast möjlig om den elektriska konduktiviteten hos dess flytande del var mycket högre och hade lågt tryck och temperatur.
Läs mer
Den första exakta världskartan skapades. Vad är fel med alla andra?
NASA berättade hur de kommer att leverera prover av Mars till jorden
En motor för ett orbitalflygplan testades i Ryssland